CN107402028A - 一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统 - Google Patents

一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统 Download PDF

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Abstract

一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，包括N根波长不同的光纤布拉格光栅，两个多输出端口的分光，一个1×2光开关；光纤布拉格光栅分别两两串联在一条通道上，形成多条传输通道；两个分光器输出端口分别与多条传输通道的两端相连接；分光器输入端口分别与1×2光开关的两个输出端口相连接；光开关的输入端口通过光谱仪连接到宽带光源上。本发明通过强度型波分复用技术来区分不同通道、不同位置的传感器，不仅可以同时检测应变、温度等多种物理量，还可以增加其监测范围；而且，通过扩展，可以实现更多通道、更多只传感器的强度型波分复用，从而实现更多通道，更多位置的多物理量监测。

Description

一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感器在工程上网络化应用技术领域，具体涉及一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统。
背景技术
近年来，光纤光栅传感器作为一种新型的无源器件，因其具有耐腐蚀、体积小、不受电磁及雷电干扰、不受铁路道床环境、轨面及车轮生锈影响、可实现多点式分布测量、不受光强波动影响、自参考的绝对测量、便于单光源波分复用和光集成等优良特性，在铁路、土木工程、航空航天发动机、工业生产、油井温度测量领域显示了广阔的应用前景。
在传感器的实际应用中，如果一套解调系统只能监测一个传感器的状态，往往会带来较高的测量成本，因此，复用技术成为光纤传感器实用化发展的研究热点之一。常见的复用技术有时分复用(TDM)、频分复用(FDM)、码分复用(CDMA)、波分复用(WDM)。相对另外几种复用技术，波分复用具有超大容量传输、节约光纤资源、各信道透明传输，平滑升级，扩容、利用掺铒光纤放大器(EDFA)实现超长距离传输、提高系统的可靠性、可组成全光网络的优点，因此波分复用在最近几年得到迅猛发展。然而，这种光纤传感器波分复用(WDM-FG)传感器数量由所需要的每个传感器波长范围和总的可利用宽带光源的带宽所限制，因此根据前人的研究基础上提出一种基于强度型波分复用(I-WDM)技术而组成的传感系统，可以最大限度地提高光纤光栅传感器的性能和增加检测范围。
发明内容
本发明的目的是针对技术的不足提出一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，利用强度型波分复用技术提高传感器传感性能。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，包括N根波长不同的光纤布拉格光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4、FBG5、FBG6、FBG7、FBG8……FBGn-1、FBGn(n≥2)，两个多输出端口的分光器OS1和OS2，一个1×2(输入端口×输出端口)的光开关。FBG1与FBG2，FBG3与FBG4，FBG5与FBG6，FBG7与FBG8……FBGn-1与FBGn分别两两串联在一条通道上，形成 等多条传输通道；分光器OS1和OS2输出端口分别与多条传输通道的两端相连接；分光器OS1和OS2的输入端口分别与1×2(输入端口×输出端口)的光开关的两个输出端口相连接；光开关的输入端口通过光谱仪连接到宽带光源上。
本发明所述的N根FBG的中心波长均在宽带光源的带宽范围内且FBG之间波长带宽数值间距最小为2nm。
本发明中所述传输通道中的FBG作为参考光栅，通过温度补偿封装，使光栅的波长随温度漂移量极低，温度系数可小于1pm/℃，可忽略环境温度对波长的影响。
本发明中所述多输出端口分光器可由多个不同分光比的光耦合器(OCP)组成。
本发明中所述传输通道数目可增加至N，即可无限多增加传输通道来扩大传感监测范围。
本发明的技术效果是：本发明通过强度型波分复用技术将N根波长不同的FBG组成多通道光纤光栅传感系统，该FBG传感系统不仅可以同时监测应变、温度等多种物理量还可以增加其监测范围；而且，通过扩展，可以实现更多通道、更多只传感器的强度型波分复用，从而实现更多通道，更多位置的多物理量监测。不仅其原理简单易懂，而且成本较低，非常适合商业化的推广应用。
附图说明
图1为多通道传感系统组成示意图。图中：ASE宽带光源，OSA光谱仪，OSW光开关，OS分光器，OCP光耦合器，FBG光纤光栅传感器。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1。
一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，包括8根波长不同的光纤布拉格光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4、FBG5、FBG6、FBG7、FBG8，两个四输出端口的分光器OS1和OS2，一个1×2(输入端口×输出端口)的光开关。FBG1与FBG2，FBG3与FBG4，FBG5与FBG6，FBG7与FBG8分别两两串联在一条通道上，形成 和四条传输通道；分光器OS1和OS2输出端口分别与四条传输通道的两端相连接；分光器OS1和OS2的输入端口分别与1×2(输入端口×输出端口)的光开关的两个输出端口相连接；光开关的输入端口通过光谱仪连接到宽带光源上。
本实施例所述的8根FBG的中心波长：FBG1为1531.5nm，FBG2为1533.5nm，FBG3为1543.5nm，FBG4为1545.5nm，FBG5为1550nm，FBG6为1552nm，FBG7为1561nm，FBG8为1563nm。
本实施例中所述传输通道中的FBG作为参考光栅，通过温度补偿封装，使光栅的波长随温度漂移量极低，温度系数可小于1pm/℃，可忽略环境温度对波长的影响。
本实施例中所述两个分光器OS1和OS2与四条传输通道的连接方式为：通道、通道、通道、通道中的A、B、C、D端分别连接在分光器OS1的15％，35％，20％，30％输出端口，A1、B1、C1、D1端分别连接在分光器OS2的30％，15％，35％，20％输出端口。
本实施例中所述四输出端口分光器由一个1×2(输入端口×输出端口)50:50的光耦合器(OCP)、一个1×2(输入端口×输出端口)30:70的光耦合器(OCP)和一个1×2(输入端口×输出端口)40:60的光耦合器(OCP)组成。
本实施例中选用的宽带光源带宽为80nm，由于FBG传感器受应力过大而使波长偏移超过2nm会使传感器损坏，所以FBG传感器之间波长带宽数值间距最小为2nm，即每条通道最多可以接入40根FBG传感器，如果增加通道数为N，即最多可接入40×N根FBG传感器。
实施例2。
一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，包括8根波长不同的光纤布拉格光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4、FBG5、FBG6、FBG7、FBG8，两个四输出端口的分光器OS1和OS2，一个1×2(输入端口×输出端口)的光开关。FBG1与FBG2，FBG3与FBG4，FBG5与FBG6，FBG7与FBG8分别两两串联在一条通道上，形成 和四条传输通道；分光器OS1和OS2输出端口分别与四条传输通道的两端相连接；分光器OS1和OS2的输入端口分别与1×2(输入端口×输出端口)的光开关的两个输出端口相连接；光开关的输入端口通过光谱仪连接到宽带光源上。
本实施例所述的8根FBG的中心波长：FBG1为1532nm，FBG2为1535m，FBG3为1546nm，FBG4为1549nm，FBG5为1554nm，FBG6为1557nm，FBG7为1563nm，FBG8为1566nm。
本实施例中所述传输通道中的FBG作为参考光栅，通过温度补偿封装，使光栅的波长随温度漂移量极低，温度系数可小于1pm/℃，可忽略环境温度对波长的影响。
本实施例中所述两个分光器OS1和OS2与四条传输通道的连接方式为：通道、通道、通道、通道中的A、B、C、D端分别连接在分光器OS1的15％，35％，20％，30％输出端口，A1、B1、C1、D1端分别连接在分光器OS2的30％，15％，35％，20％输出端口。
本实施例中所述四输出端口分光器由一个1×2(输入端口×输出端口)50:50的光耦合器(OCP)、一个1×2(输入端口×输出端口)30:70的光耦合器(OCP)和一个1×2(输入端口×输出端口)40:60的光耦合器(OCP)组成。
本实施例中选用的宽带光源带宽为120nm，由于FBG传感器受应力过大而使波长偏移超过2nm会使传感器损坏，所以FBG传感器之间波长带宽数值间距最小为2nm，即每条通道最多可以接入60根FBG传感器，如果增加通道数为N，即最多可接入60×N根FBG传感器。
实施例3。
对该传感系统从左到右依次施加一个0N的压力，分别在-50℃，-40℃，-30℃，-20℃，-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃，80℃，90℃，100℃温度环境下保温10分钟，根据强度不同原理在光谱仪上可观察到各个温度条件下多条传输通道中不同位置FBG的中心波长偏移光谱图，结果显示通道中的FBG波长无偏移现象，在每变化10℃条件下中的FBG波长有相同的偏移量，即为温度对FBG传感器的作用。
实施例4。
对该传感系统从左到右依次分别施加一个20N、40N、60N、80N、100N的压力，分别在-50℃，-40℃，-30℃，-20℃，-10℃，0℃，10℃，20℃，30℃，40℃，50℃，60℃，70℃，80℃，90℃，100℃温度环境下保温10分钟，根据强度不同原理在光谱仪上可观察到各个温度条件下四条传输通道中不同位置FBG的中心波长偏移光谱图，结果显示在每变化10℃条件下中FBG1与FBG2波长依次分别有相同的偏移量，即为压力对FBG传感器的作用；，在每变化10℃条件下 中FBG3，FBG4，FBG5，FBG6，FBG7，FBG8……FBGn-1，FBGn波长依次分别有相同的偏移量且偏移量大于中FBG波长偏移量，两者作差即为温度对FBG传感器的作用。

Claims (4)

1.一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，其特征是包括N根波长不同的光纤布拉格光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4、FBG5、FBG6、FBG7、FBG8……FBGn-1、FBGn，n≥2，两个多输出端口的分光器OS1和OS2，一个1×2光开关；FBG1与FBG2，FBG3与FBG4，FBG5与FBG6，FBG7与FBG8……FBGn-1与FBGn分别两两串联在一条通道上，形成多条传输通道；分光器OS1和OS2输出端口分别与多条传输通道的两端相连接；分光器OS1和OS2的输入端口分别与1×2光开关的两个输出端口相连接；光开关的输入端口通过光谱仪连接到宽带光源上。
2.根据权利要求1所述的一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，其特征是所述的N根FBG的中心波长均在宽带光源的带宽范围内且FBG之间波长带宽数值间距最小为2nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，其特征是所述传输通道中的FBG作为参考光栅，通过温度补偿封装。
4.根据权利要求1所述的一种基于强度型波分复用技术的多通道光纤光栅传感系统，其特征是所述多输出端口分光器由多个不同分光比的光耦合器组成。
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